Produksi Bioethanol dari Sirup Glukosa Ubi Jalar (Ipomoea batatas L) Secara Fed Batch dengan Menggunakan Saccharomyces cerevisiae

Bioethanol Production from Sweet Potatoes Syrup (Ipomoea batatas L) by Fed Batch Fermentation using Saccharomyces cerevisiae

oleh Nurhidayah Didu, Khaswar Syamsu, Nur Richana

Ketersediaan pasokan energi khususnya bahan bakar fosil merupakan salah satu permasalahan yang dihadapi oleh Indonesia. Cadangan minyak bumi Indonesia semakin menipis sedangkan jumlah kebutuhan bahan bakar semakin meningkat dan diperkirakan akan habis 23 tahun ke depan jika tidak ditemukan sumber energi baru. Indonesia merupakan salah satu negara pengimpor bahan bakar minyak.  Kebutuhan bahan bakar minyak di Indonesia mencapai 215 juta liter per hari sedangkan produksi dalam negeri 178 juta liter per hari dan kekurangannya 40 juta liter per hari harus diimpor. Pengembangan bioenergi merupakan salah satu alternatif untuk meningkatkan pasokan energi.  Indonesia memiliki kondisi iklim dengan curah hujan yang cukup, sinar matahari sepanjang tahun, ketersediaan lahan yang luas, keanekaragaman hayati, sumber daya manusia, sumber daya alam sehingga potensial untuk pengembangan bioenergi.  Salah satu sumber bahan baku bioenergi adalah ubi jalar sebagai sumber bahan baku bioetanol untuk subtitusi bensin. Ubi jalar memiliki umur panen yang relatif singkat yaitu antara 3-3.5 bulan dengan produktivitas mencapai 40 ton/ha.  Beberapa penelitian telah dilakukan tentang pembuatan bioetanol dari ubi jalar dengan kadar etanol yang dihasilkan sebesar 9-21%.

Melalui penelitian ini dilakukan  pembuatan bioetanol dari sirup glukosa ubi jalar dengan mengkaji potensi bahan baku ubi jalar dalam pembuatan sirup glukosa sebagai bahan baku pembuatan bioetanol serta melalukan rekayasa bioproses pada sistem fed batch dengan perubahan sistem pertumbuhan Saccharomces cerevisiae dari kondisi aerobik menjadi anaerobik serta variasi konsentrasi substrat yang diumpankan pada sistem fed batch terekayasa. Sehingga melalui penelitian ini diharapkan dapat menghasilkan rendemen bioetanol yang lebih tinggi dengan kandungan gula sisa yang rendah.

Penelitian ini bertujuan untuk memproduksi bioetanol dari sirup glukosa dengan menggunakan S. cerevisiae pada produktivitas dan efisiensi yang tinggi, menentukan bentuk bahan baku yang terbaik pada pembuatan sirup glukosa ubi jalar dan menentukan konsentrasi substrat yang terbaik pada sistem fed batch terekayasa  yang menghasilkan bioetanol pada tingkat rendemen yang lebih tinggi dengan kadar gula sisa yang lebih rendah.

Tahap penelitian dimulai dengan pembuatan pati ubi jalar dengan cara ekstraksi basah. Pembuatan pati ubi jalar dimaksudkan untuk mengetahui rendemen pati dari ubi jalar varietas Sukuh yang digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan pati ubi jalar. Rendemen pati ubi jalar yang dihasilkan adalah sebesar 23.97 ± 0.33 %. 

Tahap selanjutnya adalah pembuatan sirup glukosa dari beberapa bentuk bahan baku dari ubi jalar.  Pembuatan sirup glukosa dibuat dari umbi parut ubi jalar, pati basah ubi jalar, pati kering ubi jalar dan tepung ubi jalar. Variasi bentuk bahan baku yang dilakukan pada pembuatan sirup glukosa dimaksudkan untuk menentukan bentuk bahan baku yang terbaik digunakan dalam pembuatan sirup glukosa dari ubi jalar dengan melihat efisiensi korversi ubi jalar menjadi sirup glukosa. Efisiensi tertinggi pada konversi ubi jalar menjadi sirup glukosa diperoleh pada perlakuan ketiga yaitu pati kering ubi jalar dikonversi menjadi sirup glukosa dengan nilai efisiensi sebesar 63.207±0.202% dan terendah pada perlakuan umbi parut ubi jalar dikonversi menjadi sirup glukoa dengan nilai efisiensi 22.434±0.268%. Nilai efisiensi ini menunjukkan bahwa enzim alfa amylase dan enzim amiloglukosidase efisien dalam menghidrolisis pati kering menjadi sirup glukosa.

Pada kultivasi fed batch terekayasa dilakukan variasi konsentrasi substrat yang diumpankan dengan penghentian aerasi pada kondisi biomassa maksimal yaitu pada jam ke-18. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa kadar etanol dan efisiensi yang dihasilkan pada sistem fed batch terekayasa dengan perlakuan stop aerasi pada konsentrasi substrat 20% lebih tinggi yaitu masing-masing sebesar 10.858±0.003% (v/v) dan 97.49% dibandingkan dengan kadar etanol dan efisiensi pada sistem fed batch dengan perlakuan aerasi pada konsentrasi yang sama yaitu masing-masing sebesar 7.145±0.057% (v/v) dan 95.93%. Hal ini menunjukkan bahwa dengan perubahan kondisi kultivasi dari aerobik ke anaerobik, substrat yang ditambahkan pada saat kondisi biomassa maksimum dimanfaatkan oleh S. cerevisiae untuk memproduksi etanol. Hal ini juga menunjukkan bahwa perlakuan dengan fed batch terekayasa dalam hal ini penghentian aerasi dapat menghasilkan kadar etanol lebih tinggi dibandingkan dengan fed batch tanpa rekayasa yaitu dengan aerasi.

Pada kultivasi fed batch terekayasa dengan perlakuan stop aerasi, kadar etanol tertinggi diperoleh pada konsentrasi substrat 20% yaitu sebesar 10.858±0.003% (v/v) dan terendah pada konsentrasi substrat 4% yaitu 5.194±0.195% (v/v). Hal ini menunjukkan bahwa glukosa sebagai substrat fermentasi pada konsentrasi 20% digunakan oleh S.cerevisiae untuk memproduksi etanol sebanyak-banyaknya.

Berdasarkan hasil perhitungan pada parameter kinetika fermentasi, menunjukkan bahwa pada perlakuan konsentrasi substrat 20% (stop aerasi) memiliki nilai peningkatan Yp/s, Yp/x, P, dan S0-S/S0 paling tinggi (3.9502 kali, 20.6807 kali, 3.2883 kali, 1.5144 kali) dibandingkan pada perlakuan konsentrasi substrat 20% (aerasi). Sedangkan nilai peningkatan Yx/s nya lebih kecil (0.1894) dibandingkan dengan perlakuan konsentrasi substrat 20% (aerasi). Hasil yang diperoleh pada penelitian ini menunjukkan bahwa fermentasi dengan sistem fed batch terekayasa stop aerasi dapat meningkatkan konsentrasi etanol yang dihasilkan. Hal ini juga menunjukkan bahwa rekayasa bioproses dengan fermentasi secara fed batch terekayasa stop aerasi dapat meningkatkan produk sebesar 1.422 kali.

Pada sistem fed batch terekayasa, konsentrasi substrat 20% (stop aerasi) menunjukkan nilai peningkatan Yp/s Yp/x, P, dan S0-S/S0 paling tinggi dan Yx/s paling rendah (0.1894 kali) dibandingkan dengan perlakuan lainnya.  Hal ini menunjukkan bahwa pada konsentrasi substrat 20% (stop aerasi), substrat yang ditambahkan hanya sedikit digunakan dalam pembentukan sel, namun dengan biomassa yang sedikit tersebut mampu untuk membuat etanol dalam konsentrasi yang tinggi, hal ini dapat dilihat dengan nilai peningkatan Yp/x dan P yang paling tinggi dibandingkan dengan keempat perlakuan lainnya.

 Secara keseluruhan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa  bentuk bahan baku yang terbaik untuk pembuatan sirup glukosa ubi jalar adalah pati kering ubi jalar. Sedangkan konsentrasi substrat yang terbaik pada sistem fed batch terekayasa yang menghasilkan bioetanol pada tingkat rendemen yang lebih tinggi dengan kadar gula sisa yang lebih rendah adalah konsentrasi substrat 20% (stop aerasi).